ВОДНИЙ ПОТЕНЦІАЛ: КОМПОНЕНТИ, МЕТОДИ ТА ПРИКЛАДИ - СЕРЕДОВИЩЕ - 2025

Потенціал води вільна енергія або НЕ здатний виконувати роботу, яка має певний обсяг води. Таким чином, вода на вершині водоспаду або водоспаду має високий водний потенціал, який, наприклад, здатний рухати турбіною.

Символом, який використовується для позначення водного потенціалу, є велика грецька літера під назвою psi, яка написана Ψ. Водний потенціал будь-якої системи вимірюється по відношенню до водного потенціалу чистої води в умовах, що вважаються стандартними (тиск 1 атмосфери та однакова висота і температура системи, що вивчається).

Осмотичний потенціал. Джерело: Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Факторами, що визначають водний потенціал, є гравітація, температура, тиск, гідратація та концентрація розчинених речовин у воді. Ці фактори визначають утворення градієнтів водного потенціалу, і ці градієнти призводять до дифузії води.

Таким чином вода переміщується з майданчика з високим водним потенціалом на інший з низьким водним потенціалом. Складовими водного потенціалу є осмотичний потенціал (концентрація розчинних речовин у воді), матричний потенціал (адгезія води до пористих матриць), гравітаційний потенціал та потенціал тиску.

Знання водного потенціалу має важливе значення для розуміння функціонування різних гідрологічних та біологічних явищ. До них відносяться поглинання рослинами води та поживних речовин та надходження води в ґрунт.

Компоненти водного потенціалу

Водний потенціал складається з чотирьох компонентів: осмотичний потенціал, матричний потенціал, гравітаційний потенціал та потенціал тиску. Дія цих компонентів визначає існування градієнтів гідричного потенціалу.

Осмотичний потенціал (Ψs)

Зазвичай вода не знаходиться в чистому стані, оскільки в ній розчиняються тверді речовини (солюти), такі як мінеральні солі. Осмотичний потенціал задається концентрацією розчинних речовин у розчині.

Чим більша кількість розчинених розчинних речовин, тим менше вільної енергії води, тобто менший водний потенціал. Тому вода намагається встановити рівновагу, витікаючи з розчинів з низькою концентрацією розчинних речовин до розчинів з високою концентрацією розчинних речовин.

Матричний або матричний потенціал (Ψm)

У цьому випадку визначальним фактором є наявність матриці або структури гідравлічного матеріалу, тобто він має спорідненість до води. Це зумовлено силами адгезії, створеними між молекулами, особливо водневими зв’язками, що утворюються між молекулами води, атомами кисню та гідроксильними (ОН) групами.

Наприклад, адгезія води до ґрунтових глин - це випадок водного потенціалу на основі матричного потенціалу. Ці матриці за рахунок залучення води генерують позитивний водний потенціал, тому вода поза матриці тече до неї і має тенденцію залишатися всередині, як це відбувається в губці.

Висота або гравітаційний потенціал (Ψg)

Гравітаційна сила Землі в даному випадку є тією, яка встановлює потенційний градієнт, оскільки вода буде схильна падати вниз. Вода, розташована на певній висоті, має вільну енергію, що визначається притяганням, яке Земля здійснює на свою масу.

Рух води гравітацією. Джерело: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Наприклад, вода у піднятому резервуарі з водою вільно падає по трубі і рухається з цією кінетичною (руховою) енергією, поки не досягне крана.

Потенціал тиску (Ψp)

При цьому вода під тиском має більшу вільну енергію, тобто більший водний потенціал. Тому ця вода буде переміщуватися з того місця, де вона знаходиться під тиском, туди, де її немає, і, отже, менше вільної енергії (менше водного потенціалу).

Наприклад, коли ми дозуємо краплі за допомогою крапельниці, натискаючи на гумову ручку, ми надаємо тиск, який дає енергію на воду. Завдяки цій більшій вільній енергії вода рухається назовні, де тиск нижчий.

Методи визначення водного потенціалу

Існує безліч методів вимірювання водного потенціалу, деякі підходять для ґрунту, інші для тканин, для механічних гідравлічних систем та інші. Водний потенціал еквівалентний одиницям тиску і вимірюється в атмосферах, барах, паскалях або фунтах фунтів на дюйм (фунти на квадратний дюйм у його абревіатурі англійською мовою).

Ось деякі з цих методів:

Насос Scholander або камер під тиском

Якщо ви хочете виміряти водний потенціал листя рослини, ви можете використовувати напірну камеру або насос Scholander. Складається з герметичної камери, де розміщений весь лист (лист із його черешком).

Вимірювання водного потенціалу листа за допомогою напірної камери. Джерело: Pressurebomb.svg: Aibdescalzoderivative work: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Потім тиск всередині камери збільшується, вводячи газ під тиском, вимірюючи тиск, який досягається за допомогою манометра. Тиск газу на лист збільшується, аж до води, що міститься в ньому, витікає через судинну тканину черешка.

Тиск, вказаний манометром, коли вода покидає лист, відповідає водному потенціалу листа.

Датчики тиску

Існує кілька альтернатив для вимірювання водного потенціалу за допомогою спеціальних приладів, званих зондами тиску. Вони призначені для вимірювання водного потенціалу ґрунту, виходячи головним чином з матричного потенціалу.

Наприклад, є цифрові зонди, які працюють на основі введення в грунт пористої керамічної матриці, підключеної до датчика вологості. Ця кераміка гідратується водою всередині ґрунту до досягнення балансу між водним потенціалом у керамічній матриці та водним потенціалом ґрунту.

Згодом датчик визначає вологість кераміки та оцінює водний потенціал ґрунту.

Мікрокапіляр з датчиком тиску

Існують також зонди, здатні вимірювати водний потенціал у рослинних тканинах, наприклад, стебло рослини. Модель складається з дуже тонкої тонкої наконечники (мікроспиральної трубки), яка вставляється в тканину.

При проникненні в живу тканину розчин, що міститься в клітинах, слід за потенційним градієнтом, визначеним тиском, що міститься в стеблі, і вводиться в мікропіл. Коли рідина зі штока потрапляє в трубку, вона виштовхує міститься в ній олія, яка активує датчик тиску або манометр, який присвоює значення, відповідне водному потенціалу

Варіації ваги або обсягу

Для вимірювання водного потенціалу на основі осмотичного потенціалу можна визначити коливання ваги тканини, зануреної в розчини в різних концентраціях розчиненого речовини. Для цього готують ряд пробірок, у кожній з яких відома зростаюча концентрація розчиненого речовини, наприклад сахарози (цукру).

Іншими словами, якщо в кожній 5 пробірках є 10 см3 води, в першу пробірку додають 1 мг сахарози, у другу - 2 мг, а в останню - до 5 мг. Таким чином, у нас зростає батарея концентрацій сахарози.

Потім з тканини вирізають 5 ділянок рівної і відомої ваги, водний потенціал яких слід визначити (наприклад, шматочки картоплі). Потім у кожну пробірку поміщають зріз і через 2 години зрізи тканин видаляють і зважують.

Очікувані результати та інтерпретація

Очікується, що деякі шматки втрачають вагу від втрати води, інші набирають вагу, оскільки вони поглинали воду, а ще інші підтримуватимуть вагу.

Ті, хто втратив воду, знаходилися в розчині, де концентрація сахарози була більшою, ніж концентрація розчиненого речовини в тканині. Тому вода текла відповідно до градієнта осмотичного потенціалу від найвищої концентрації до найнижчої, а тканина втрачала воду та вагу.

На відміну від цього, тканина, яка набирала воду та масу, знаходилась у розчині з меншою концентрацією сахарози, ніж концентрація розчинних речовин у тканині. У цьому випадку градієнт осмотичного потенціалу сприяв надходженню води в тканини.

Нарешті, у тому випадку, коли тканина зберігала свою первісну вагу, робиться висновок, що концентрація, в якій вона виявлена, має однакову концентрацію розчиненого речовини. Тому ця концентрація буде відповідати водному потенціалу досліджуваної тканини.

Приклади

Водопоглинання рослинами

Дерево висотою 30 м потрібно транспортувати воду від землі до останнього листя, і це робиться через її судинну систему. Ця система - це спеціалізована тканина, що складається з мертвих клітин, схожих на дуже тонкі трубочки.

Рух води в рослинах. Джерело: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Транспорт можливий завдяки різниці у водному потенціалі, що утворюються між атмосферою та листом, який, у свою чергу, передається судинній системі. Лист втрачає воду в газоподібному стані через більшу концентрацію водяної пари в ньому (більший водяний потенціал) порівняно з навколишнім середовищем (нижчий водний потенціал).

Втрата пари створює негативний тиск або всмоктування, що змушує воду з судин судинної системи в бік листової пластинки. Це всмоктування передається від посудини до посудини до досягнення кореня, де клітини та міжклітинні простори всмоктуються водою, що поглинається з ґрунту.

Вода, що надходить з ґрунту, проникає в корінь через різницю осмотичного потенціалу між водою в клітинах кореня епідермісу та грунтом. Це відбувається тому, що в кореневих клітинах міститься розчинник у більшій концентрації, ніж у ґрунтовій воді.

Муцилажі

Багато рослин у сухому середовищі затримують воду, виробляючи слизи (в’язку речовину), які зберігаються у вакуумах. Ці молекули затримують воду, зменшуючи її вільну енергію (низький потенціал води), в цьому випадку матричний компонент водного потенціалу є визначальним.

Підвищений резервуар для води

Що стосується системи водопостачання на базі підвищеного резервуара, той самий наповнюється водою через вплив потенціалу тиску. Компанія, яка надає послугу водопостачання, чинить тиск на неї за допомогою гідравлічних насосів і тим самим долає силу тяжіння, щоб досягти резервуара.

Після заповнення бака вода розподіляється з нього завдяки потенційній різниці між водою, що зберігається в баку, і водовідведенням в будинку. Відкриття крана встановлює гравітаційний градієнт потенціалу між водою в крані та водою резервуара.

Тому вода в резервуарі має більшу вільну енергію (більший водний потенціал) і падає в основному за рахунок сили тяжіння.

Дифузія води в грунт

Основним компонентом водного потенціалу ґрунту є матричний потенціал, враховуючи силу адгезії, яка встановлюється між глинами та водою. З іншого боку, потенціал сили тяжіння впливає на вертикальний градієнт переміщення води в ґрунт.

Багато процесів, що відбуваються в ґрунті, залежать від вільної енергії води, що міститься в ґрунті, тобто від її водного потенціалу. Ці процеси включають живлення та транспірацію рослин, інфільтрацію дощової води та випаровування води з ґрунту.

У сільському господарстві важливо визначити водний потенціал ґрунту, щоб правильно застосовувати зрошення та удобрення. Якщо матричний потенціал ґрунту дуже високий, вода залишиться приєднаною до глини і не буде доступною для поглинання рослинами.

Список літератури

1. Буссо, Каліфорнія (2008). Використання камери тиску та психрометрів термопари для визначення гідричних співвідношень у тканинах рослин. ΦYTON.
2. Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. and Martínez-Chacón, AJ (2012). Водокористування, потенціал води та урожайність перцю хабанеро (C apsicum chinense J acq.). Журнал Fitotecnia Mexicana.
3. Солсбері, ФБ і Росс, штат Колумбія (1991). Фізіологія рослин. Wadsworth Publishing.
4. Scholander, P., Bradstreet, E., Hemmingsen, E. and Hammel, H. (1965). Тиск соку у судинних рослинах: Негативний гідростатичний тиск можна виміряти у рослинах. Наука.
5. Squeo, FA (2007). Водний і водний потенціал. В: Скео, Ф. А. та Кардеміл, Л. (Ред.). Фізіологія рослин. Видання Університету Ла Серени